電子ペーパー

電子ペーパーは、1970年代にゼロックスのパロアルト研究所のニック・シェリドンによって初めて開発されました。^{[ 5 ]}最初の電子ペーパーはGyriconと呼ばれ、直径75～106マイクロメートルのポリエチレン球で構成されていました。各球は、片面が負に帯電した黒色のプラスチック、もう片面が正に帯電した白色のプラスチックで構成されたヤヌス粒子です（したがって、各ビーズは双極子です）。^{[ 6 ]}球は透明なシリコンシートに埋め込まれており、各球は自由に回転できるようにオイルの泡の中に吊り下げられています。各電極ペアに印加される電圧の極性によって、白色面または黒色面が上を向くかどうかが決まり、それによってピクセルが白または黒に見えるようになります。^{[ 7 ]} このタイプの電子ペーパーの利点は、電圧が停止した後でも内容が保持されることです。FPD 2008展示会で、日本の企業Sokenはこの技術を使用した電子壁紙の壁を展示しました。^{[ 8 ]} 2007年、エストニアの企業Visitlet Displaysは、球体の材料としてポリフッ化ビニリデン（PVDF）を使用したこの種のディスプレイを開発し、ビデオ速度を劇的に向上させ、必要な制御電圧を低減しました。^{[ 9 ]}

電気泳動ディスプレイ（EPD ）は、印加された電場によって帯電した顔料粒子を再配置することで画像を形成します。最もシンプルなEPDの実装では、直径約1マイクロメートルの二酸化チタン（チタニア）粒子が炭化水素油に分散されます。この油には、粒子に電荷を与える界面活性剤や帯電剤とともに、暗色の染料も添加されます。この混合物は、10～100マイクロメートルの間隔で隔てられた2枚の平行な導電性プレートの間に配置されます。2枚のプレート間に電圧を印加すると、粒子は電気泳動によって、粒子とは反対の電荷を持つプレートに移動します。粒子がディスプレイの前面（表示側）にある場合、高屈折率のチタニア粒子によって光が視聴者に散乱されるため、白色に見えます。粒子がディスプレイの背面にある場合、光が着色染料によって吸収されるため、暗色に見えます。背面電極を多数の小さな画素（ピクセル）に分割すると、ディスプレイの各領域に適切な電圧を印加することで、反射領域と吸収領域のパターンを作り出し、画像を形成することができる。

EPD は通常、MOSFETベースの薄膜トランジスタ(TFT) 技術を使用して実装されます。TFT は、EPD に高密度の画像を形成するためによく使用されます。^{[ 10 ]} TFT ベースの EPD の一般的な用途は、電子書籍リーダーです。^{[ 11 ]}電気泳動ディスプレイは、紙のような外観と低消費電力のため、電子ペーパーカテゴリの代表的な例と考えられています。市販の電気泳動ディスプレイの例としては、 Amazon Kindle、Barnes & Noble Nook、Sony Reader、Kobo eReader、iRex iLiad電子書籍リーダーで使用されている高解像度アクティブマトリクスディスプレイがあります。これらのディスプレイは、E Ink Corporationが製造した電気泳動イメージングフィルムから作られています。この技術を使用した携帯電話は、Motorola Foneです。^{[ 12 ]}

電気泳動ディスプレイ技術は、SiPixとブリヂストン/デルタによっても開発されました。SiPixは現在、E Ink Corporationの一部となっています。SiPixの設計は、 E Inkの直径0.04 mmのマイクロカプセルの代わりに、柔軟な0.15 mmのマイクロカップアーキテクチャを使用しています 。^{[ 13 ] [ 14 ]}ブリヂストン株式会社の先端材料事業部は、デルタオプトエレクトロニクス株式会社と協力して、クイックレスポンス液体粉末ディスプレイ技術を開発しました。^{[ 15 ] [ 16 ]}

電気泳動ディスプレイは、フィリップス研究所が開発したレーザーリリースによるプラスチック上の電子機器（EPLaR）プロセスを使用して製造することができ、既存のAM-LCD製造工場でフレキシブルプラスチックディスプレイを製造できるようになります。^{[ 17 ]}

マイクロカプセル化電気泳動ディスプレイ

1990年代には、MITの学部生チームがマイクロカプセル化された電気泳動ディスプレイに基づく別のタイプの電子インクを考案し、試作しました^{[ 18 ]}。これは彼らのNature誌の論文^{[ 19 ]}に記載されています。JD Albert、Barrett Comiskey、Joseph Jacobson、Jeremy Rubin、Russ Wilcoxは、 1997年にE Ink Corporationを共同設立し、この技術を商業化しました。E Inkはその後2年後にPhilips Componentsと提携し、この技術の開発と販売を行いました。2005年、Philipsは電子ペーパー事業と関連特許をPrime View Internationalに売却しました。

ディスプレイ媒体の研究者にとって、紙の電子版となる柔軟で低コストなシステムを開発することは、長年の目標でした。この文脈において、微粒子ベースのディスプレイは、研究者の関心を長らく惹きつけてきました。このようなディスプレイにおける切り替え可能なコントラストは、散乱性または吸収性の高い微粒子（サイズ範囲0.1～5μm）の電気泳動によって実現され、より一般的な液晶ディスプレイの挙動を支配する分子スケールの特性とは全く異なります。微粒子ベースのディスプレイは、固有の双安定性を持ち、極めて低電力の直流電界アドレッシングを実現し、高いコントラストと反射率を示しています。これらの特徴は、ほぼランバート型の視野特性と相まって、「紙にインクを塗ったような」外観をもたらします。しかし、このようなディスプレイはこれまで、寿命が短く、製造が困難であるという問題がありました。本稿では、電気泳動分散液のマイクロカプセル化に基づく電気泳動インクの合成について報告します。マイクロカプセル化された電気泳動媒体を使用することで、寿命の問題を解決し、双安定電子ディスプレイの製造を単独で可能にします。印刷によって。このシステムは電子ペーパーの実用的な要件を満たす可能性がある。」^{[ 19 ]}

これは、着色油に懸濁された帯電した白色粒子を充填した微小なマイクロカプセルを使用した。^{[ 19 ]}初期バージョンでは、基底回路が、白色粒子がカプセルの上部にあるか（視聴者には白く見える）、カプセルの下部にあるか（視聴者には油の色が見える）を制御していた。これは基本的に、よく知られている電気泳動ディスプレイ技術の再導入であったが、マイクロカプセルのおかげで、ディスプレイはガラスではなく柔軟なプラスチックシート上に作成できるようになった。電子ペーパーの初期バージョンの一つは、それぞれ約40マイクロメートルの非常に小さな透明なカプセルのシートで構成されている。各カプセルには、黒色の染料（電子インク）を含む油性溶液があり、その中に多数の白色二酸化チタン粒子が懸濁している。粒子はわずかに負に帯電しており、それぞれが自然に白色である。^{[ 7 ]}スクリーンは、透明な上側の電極アレイの間に挟まれた液体ポリマー 層にマイクロカプセルを保持している。2つのアレイは、シートをピクセルに分割するように整列しており、各ピクセルはシートの両側に配置された一対の電極に対応している。シートは保護のために透明なプラスチックでラミネートされており、全体の厚さは 80 マイクロメートル、つまり通常の紙の 2 倍です。電極のネットワークは表示回路に接続されており、特定の電極ペアに電圧を印加することで、特定のピクセルで電子インクを「オン」と「オフ」にします。表面電極に負の電荷をかけると、粒子が局所カプセルの底に反発し、黒色の染料が表面に押し出されてピクセルが黒くなります。電圧を反転させると、逆の効果が得られます。粒子が表面に押し出され、ピクセルが白くなります。この概念のより最近の実装では、マイクロカプセルの下に電極の層が 1 つだけ必要です。^{[ 20 ] [ 21 ]}これらは、アクティブ マトリクス電気泳動ディスプレイ (AMEPD) として市販されています。

この技術は、バックライトパネルを反射面に置き換えた点で、一般的な液晶ディスプレイ（LCD）と類似している。同様の技術は、ソフトウェアまたはハードウェアでバックライト制御を無効にすることで、バックライト付きLCDでも実現可能である。

電気湿潤ディスプレイ（EWD）は、印加電圧によって水と油の界面の形状を制御する原理に基づいています。電圧が印加されていない状態では、（着色された）油が水と電極の疎水性（撥水性）絶縁コーティングの間に平坦な膜を形成し、着色されたピクセルとなります。電極と水の間に電圧が印加されると、水とコーティング間の界面張力が変化します。その結果、積層状態が不安定になり、水が油を押し出します。これにより、部分的に透明なピクセル、またはスイッチング素子の下に反射性の白い表面がある場合は白いピクセルが形成されます。ピクセルサイズが小さいため、ユーザーは平均的な反射しか感じることができず、高輝度・高コントラストのスイッチング素子を実現できます。

電気湿潤に基づくディスプレイは、いくつかの魅力的な特徴を備えています。白と色の反射の切り替えは、ビデオコンテンツを表示するのに十分な速さです。^{[ 22 ]}低消費電力、低電圧の技術であり、この効果に基づくディスプレイは、平らで薄くすることができます。反射率とコントラストは、他の反射型ディスプレイタイプよりも優れているか同等であり、紙の視覚的特性に近づいています。さらに、この技術は、高輝度フルカラーディスプレイへの独自の道筋を提供し、反射型LCDの4倍、他の新興技術の2倍の明るさのディスプレイにつながります。^{[ 23 ]}赤、緑、青（RGB）フィルターを使用したり、3原色のセグメントを交互に使用したりする代わりに、実際にはディスプレイの3分の1だけが目的の色で光を反射することになりますが、電気湿潤では、1つのサブピクセルが2つの異なる色を独立して切り替えることができるシステムが可能です。

これにより、表示領域の3分の2を、任意の色の光を反射できる領域として利用できるようになります。これは、独立して制御可能な2枚の着色油膜とカラーフィルターを重ね合わせたピクセルを構築することで実現されます。

色はシアン、マゼンタ、イエローで、減法混色方式であり、インクジェット印刷で使用される原理に匹敵する。LCDと比較すると、偏光板が不要なため明るさが向上する。^{[ 24 ]}

電子ディスプレイに用いられる技術で、反射光の干渉によって様々な色を作り出すことができる。色は、液晶ディスプレイ（LCD）のアドレス指定に用いられるものと同様のドライバ集積回路を用いてオン／オフを切り替える、微細な空洞を備えた電気的にスイッチング可能な光変調器によって選択される。

導電性ポリマーを用いたプラズモニックナノ構造も、電子ペーパーの一種として提案されている。^{[ 29 ]}この材料は2つの部分から構成されている。1つ目は、ナノスケールの穴を含む数十ナノメートルの厚さの金属-絶縁体-金属膜で作られた高反射メタサーフェスである。メタサーフェスは、絶縁体の厚さに応じて異なる色を反射することができる。標準的なRGBカラースキームをフルカラーディスプレイのピクセルとして使用できる。2つ目は、電気化学ポテンシャルによって光吸収を制御できるポリマーである。プラズモニックメタサーフェス上にポリマーを成長させた後、印加電圧によってメタサーフェスの反射を変調することができる。この技術は、広範囲の色、高い偏光無依存反射率（>50  %）、強いコントラスト（>30  %）、高速応答時間（数百ms）、長期安定性を示す。さらに、超低消費電力（<0.5  mW/cm2）と高解像度（>10000 dpi）の可能性も秘めている。超薄型メタサーフェスは柔軟性があり、ポリマーも柔らかいため、システム全体を曲げることができる。この技術の今後の改善点としては、双安定性、材料の低コスト化、TFTアレイとの連携などが挙げられる。

2025年、ウプサラ大学の研究者らは、人間の目の解像度限界に達する反射型ディスプレイ技術である「網膜電子ペーパー」を発表した。^{[ 30 ]} ピクセルサイズが縮小するにつれて明るさとコントラストが低下するLEDやOLEDなどの発光型ディスプレイとは異なり、網膜電子ペーパーは、周囲の光を効率的に反射するWO₃製の電気的に調整可能なナノ構造を採用している。ナノスケールのWO₃ディスクで構成される各色の「メタピクセル」は、電気化学的な絶縁体から金属への遷移によって動的に変調することができ、色調整とビデオレート動作（>25 Hz）が可能になる。結果として得られるディスプレイは、「1インチあたり25,000ピクセル」を超えるピクセル密度、高い反射率（約80%）、光学的コントラスト（約50%）を実現し、非常に低い消費電力で動作する。このアプローチは、紙のような視覚的な快適さとナノフォトニック制御の精度を組み合わせたもので、完全に没入できる視覚体験を可能にする、将来の超高解像度でエネルギー効率の高いVR/ARシステムの潜在的なプラットフォームとして説明されています。^{[ 31 ]}

電子ペーパーに関するその他の研究では、フレキシブル基板に埋め込まれた有機トランジスタの使用が検討されており、^{[ 32 ] [ 33 ]}従来の紙に組み込む試みも含まれています。^{[ 34 ]} シンプルなカラー電子ペーパー^{[ 35 ]}は、上記のモノクロ技術に薄いカラー光学フィルターを追加したものです。ピクセルの配列は、 CRTモニターと同様に、通常は標準的なシアン、マゼンタ、イエローの3色に分割されます（ただし、加法混色の原色ではなく減法混色の原色を使用します）。ディスプレイは、他の電子カラーディスプレイと同様に制御されます。

電気泳動ディスプレイは、静止コンテンツを表示する際の反射率が高く、太陽光下での視認性が良く、消費電力が非常に低いため、主にテキストを読むことを目的とした電子書籍リーダーやその他のデバイスで広く使用されています。^{[ 40 ]}インクをカプセル化して基板に塗布する方法が、各社を区別する要素となっています。これらのプロセスは複雑で、厳重に守られた業界秘密です。とはいえ、電子ペーパーの製造は、LCDよりも複雑ではなく、コストもかかりません。

電子ペーパーには様々なアプローチがあり、多くの企業がこの分野の技術開発に取り組んでいます。電子ペーパーに応用されている他の技術としては、液晶ディスプレイの改良、エレクトロクロミックディスプレイ、そして九州大学で開発されたエッチ・ア・スケッチの電子版などがあります。電子ペーパーの利点としては、低消費電力（表示更新時のみ電力消費）、柔軟性、そしてほとんどのディスプレイよりも優れた視認性などが挙げられます。電子インクは、壁、看板、製品ラベル、Tシャツなど、あらゆる表面に印刷できます。また、インクの柔軟性により、電子機器用の巻き取り式ディスプレイの開発も可能になります。

2005年12月、セイコーは、フレキシブルな電気泳動ディスプレイを備えたSpectrum SVRD001腕時計と呼ばれる初の電子インクベースの腕時計を発売しました^{[ 41 ]}。そして2010年3月、セイコーはこの有名な電子インク腕時計の第2世代をアクティブマトリクスディスプレイで発売しました^{[ 42 ]} 。Pebbleスマートウォッチ（2013年）は、電子ペーパーディスプレイにシャープ製の低消費電力メモリLCDを使用しています^{[ 43 ] 。}

2019年、フォッシルはハイブリッドスマートウォッチ「Hybrid HR」を発売した。これは常時表示の電子インクディスプレイと物理的な針と文字盤を統合し、従来のアナログ時計の外観を再現している。^{[ 44 ]}

最近の研究では、電気泳動およびフォトニック結晶ベースの反射型ディスプレイ材料が双安定色状態を実現し、継続的な電力消費なしに画像を維持できることが実証されています。このような技術は、従来のモノクロ電子ペーパーの読みやすさとエネルギー効率を維持しつつ、低消費電力のカラー電子ペーパーディスプレイを実現する可能性のある方法として研究されています。この研究はまた、反射型双安定色ディスプレイ方式が、太陽光下での視認性とバッテリー寿命の延長が性能要件として不可欠な将来のウェアラブルおよびポータブルデバイスに適している可能性を示唆しています。^{[ 45 ]}

2004年、ソニーは電子ペーパーE Inkディスプレイを搭載した初の電子書籍リーダーであるLibriéを日本で発売した。 ^{[ 46 ]} 2006年9月、ソニーは米国で電子書籍リーダーPRS-500 Sony Readerを発売した。2007年10月2日、ソニーはReaderのアップデート版であるPRS-505を発表した。2008年11月、ソニーはバックライトとタッチスクリーンを搭載したPRS-700BCを発売した。

2007年後半、Amazonは電子ペーパーディスプレイを備えた電子書籍リーダーであるAmazon Kindleの製造と販売を開始しました。2009年2月、AmazonはKindle 2を発売し、2009年5月にはより大型のKindle DXを発表しました。2010年7月には、デザインに顕著な変更を加えた第3世代のKindleが発表されました。^{[ 47 ]} 2011年9月には、Kindleの第4世代であるTouchが発表されました。これは、Kindleがキーボードとページめくりボタンを廃止し、タッチスクリーンを採用した最初の製品でした。2012年9月、AmazonはLEDフロントライトと高コントラストディスプレイを搭載した第5世代のKindleであるPaperwhiteを発表しました。^{[ 48 ]}

2009年、バーンズ・アンド・ノーブルはAndroidオペレーティングシステムを搭載したBarnes & Noble Nookを発売した。^{[ 49 ]}他の電子書籍リーダーと異なる点は、バッテリーが交換可能であることと、メインの電子ペーパー閲覧画面の下に独立したタッチスクリーンカラーLCDが搭載されていることである。

2017年、ソニーとreMarkableはスマートスタイラスでの書き込みに特化した電子書籍を提供した。^{[ 50 ]}

モトローラの低価格携帯電話であるMotorola F3は、英数字表示の白黒電気泳動ディスプレイを採用している。

サムスンの携帯電話「Alias 2」は、E Ink社の電子インクをキーパッドに採用しており、表示モードによってキーパッドの文字セットや向きが変化するようになっている。

2012年12月12日、Yota Devicesは初のプロトタイプ「YotaPhone」を発表し、その後2013年12月に発売された、ユニークなデュアルディスプレイ搭載スマートフォンである。前面には4.3インチのHD液晶ディスプレイ、背面には電子インクディスプレイが搭載されている。

2020年5月と6月に、ハイセンスは初のカラー電子インク搭載スマートフォンであるHisense A5cとA5 pro ccを発売しました。単色ディスプレイを搭載し、切り替え可能なフロントライトを備え、Android 9とAndroid 10が動作します。

電子ペーパーは、13.3インチのDasung Paperlike 3 HDや25.3インチのPaperlike 253などのコンピューターモニターで使用されています^{。[ 51 ]}

Lenovo ThinkBook Plus のような一部のノートパソコンは、セカンダリスクリーンとして電子ペーパーを使用しています。^{[ 52 ]} 他の一般的なノートパソコンは、バックライトのない反射型 LCD パネルを使用しています。さらに、XubuntuやKali Linuxなどの一部のオペレーティングシステムは、内蔵モニターのバックライト LCD の明るさを 0% に暗くする制御を提供し、クリスタルは動作し続けるため、ディスプレイはまるで紙のように周囲の光で照らされます。

2020年、Onyxは初のフロントライト搭載13.3インチ電子ペーパーAndroidタブレット「Boox Max Lumi」を発売した。同年後半には、Bigmeが初の10.3インチカラー電子ペーパーAndroidタブレット「Bigme B1 Pro」を発売した。これは、4Gセルラーデータに対応した初の大型電子ペーパータブレットでもあった。

2006年2月、フランドル地方の日刊紙『デ・ティード』は、限定的なマーケティング調査の一環として、 iRex iLiadのプレリリース版を用いて、一部の購読者向けに電子版新聞を配信した。これは、新聞出版における電子インクの最初の応用例として記録されている。

フランスの日刊紙レゼコーは、 2007年9月に購読制の電子版の正式開始を発表した。1年間の購読と読書端末を組み合わせた2種類のプランが用意された。プランには、軽量（176g）の読書端末（Ganaxa社がレゼコー向けに改良したもの）またはiRex iLiadのいずれかが含まれていた。日刊紙の読みやすい情報を提供するために、2種類の処理プラットフォームが使用された。1つはGanaxa社が新たに開発したGPP電子インクプラットフォームをベースとしたもので、もう1つはレゼコーが独自に開発したものである。

フレキシブルディスプレイカードは、金融決済カード所有者がワンタイムパスワードを生成することで、オンラインバンキングや取引における不正行為を軽減することを可能にします。電子ペーパーは、データセキュリティの観点から、既存のキーフォブトークンに代わる薄型で平らな代替手段を提供します。世界初のISO規格準拠の埋め込み型ディスプレイ搭載スマートカードは、2005年にInnovative Card TechnologiesとnCryptoneによって開発されました。このカードはNagra IDによって製造されました。

USBフラッシュドライブなどの一部のデバイスでは、使用可能なストレージ容量などのステータス情報を表示するために電子ペーパーが使用されています。^{[ 53 ]}電子ペーパー上の画像が設定されると、それを維持するために電力は必要ないため、フラッシュドライブが接続されていなくても読み取り値を確認できます。

電子ペーパーベースの電子棚札（ESL）は、小売店で商品の価格をデジタル表示するために使用され、価格や製品情報を一元管理された無線更新で更新できるだけでなく、紙の無駄や手動更新にかかるスタッフの時間を削減します。^{[ 54 ]}電子ペーパーベースのラベルは、双方向赤外線または無線技術で更新され、充電式コイン型電池で駆動します。一部のバリアントは、LCDに似ていますが、画像を保持するために電源を必要としないZBD（天頂双安定ディスプレイ）を使用しています。^{[ 55 ]}

バス停や路面電車の停留所に設置されている電子ペーパーディスプレイは、遠隔操作で更新できます。LEDや液晶ディスプレイ（LCD）と比較して、消費電力が少なく、停電時でも文字や画像が表示された状態を維持します。また、LCDに比べて、直射日光下でも視認性に優れています。

省エネルギー性に優れていることから、電子ペーパーはデジタルサイネージ用途に適した技術であることが証明されている。

一般的に、電子ペーパータグは電子インク技術とNFCやUHFなどの無線インターフェースを統合しています。これらは主に従業員IDカードや、製造工程の変更や状況を追跡するための生産ラベルとして使用されています。また、再利用可能な箱などの配送ラベルとしても、電子ペーパータグの利用が拡大しています。一部の電子ペーパータグメーカーが提供する興味深い機能の一つに、バッテリーレス設計があります。これは、ディスプレイのコンテンツ更新に必要な電力が無線で供給され、モジュール自体にバッテリーが内蔵されていないことを意味します。

その他の提案されている用途には、衣服、デジタルフォトフレーム、情報ボード、キーボードなどがあります。動的に変更可能なキーを備えたキーボードは、あまり普及していない言語、ドヴォラックなどの非標準的なキーボードレイアウト、またはビデオ編集やゲームなどの特別な非アルファベットアプリケーションに役立ちます。reMarkableは、読書やメモを取るためのライタータブレットです。電子ペーパーは、医薬品のリマインダー、インタラクティブな製品ラベル、トレーサビリティタグなどのスマートパッケージングアプリケーションにも使用されています。^{[ 56 ]}